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热力学定律证明,能量消耗的一半以上是以废热的形式浪费了,不管是汽车耗油,还是洗衣机耗电,抑或是工厂里的油、电消耗。有些设备产生的废热比例更高,比如,汽车发动机浪费的比例高达三分之二!如果上海产品设计的新技术能利用其中哪怕一小部分来发电,那也是大规模提高能量利用率的进步。上海产品设计大卫逊告诉大家,别太沮丧,好戏在后头呢!

热电材料正是能干这种活的材料,它能引导热量流向自己并发电。在汽车排气管周围捆上热电材料,所发的电可以支持车内的电器设备运行;把热电材料配置在冰箱压缩机处,用冰箱散发的热发电可以支持冰箱的运行;把热电材料配置在太阳能电池上,太阳光所有谱段产生的热都可以被吸收发电,而不像目前的太阳能电池只能利用1~2个谱段。

这样看来,热电材料的应用应该丰收无虞。但上述理想的画面到目前为止还没成为现实。不过,产品设计公司的理论上最有效的热电材料已经找到,就是碲化铅。目前它还没投入使用,是因为人们对铅的恐惧,以及铅应用于电器设备方面的立法限制。虽然铅可以用毒性低的铋来替代,但另一种原料碲的价格不便宜,而且还在上涨,还是抵消了这个方案的优势。

为了几十年的研究成果不致付诸东流,科学家正设法寻找低成本的热电材料。令人沮丧的是,绝大多数替代材料的热电转换效率平平,而且越是高温,转换效率越低,因此无法应用于产生高温废热的汽车发动机。

现在,上海产品设计大卫逊有了重大发现了!热电材料的研究领域出现了一颗新星——方钴矿,它有望在多个方面大显其能。方钴矿材料家族的化合物中,铈或镱等稀有金属的原子,可在钴原子和锑原子组成的笼状结构周围自由穿梭,构成一种特别擅长捕集热量的独特结构,使电子通过笼状结构产生电流。而且,捕获的热量越多,产生的电流越大。

美国通用汽车公司的科学家梅讷斯正在美国能源部的资助下,努力提高方钴矿热电材料的发电效率,争取2016年研制出利用废热发电的汽车原型,希望废热发的电能支持汽车的照明灯泡、收音机等电器设备工作。梅讷斯设想,热电材料制成的发电机还可以利用废热给混合动力汽车的电池充电。

中国为保护环境和自然资源,严控稀有金属的开采和出口,因此方钴矿的原材料在国外难以采购。2014年,日本大阪大学的科学家找到了便宜的解决办法,用镍和铁替代铈和镱,但不幸的是,同时不得不加入另一种有毒的元素铊,导致应用无望。受该研究的启发,梅讷斯尝试在方钴矿中掺一些铁,以降低成本,并探索能否用更便宜的钙来代替部分或全部稀有金属。

产品设计公司近来的研究发现,把方钴矿材料的笼状结构扭一扭,可以耐更高温度吸热发电,可在550℃条件下工作,差不多可以吸收轧钢厂的废热发电。与此同时,其他结构奇特的化合物也有很好的热电效应,例如,有的能在较低温度下发电。说了半天,其实热电材料的研究进展并不快,科学家还在探索、寻找更有效的奇妙材料。这个过程困难重重,如爬陡坡、登险峰,每一点进步都来之不易,却离最终目标更进一步。

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